Top 3D-Druckrate per akusto-optischer Abtastung
Technologie chinesischer Wissenschaftler sorgt für bahnbrechende Druckgeschwindigkeit
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AOSS-Aufbau (Fotos: B. Jiao, F. Chen, Y. Liu, X. Fan, S. Zeng, Qi Dong, L. Deng, Hui Gao, Wei Xiong) |
Wuhan (pte003/12.10.2023/06:10)
Ein Hochgeschwindigkeits-Multiphotonen-Polymerisationslithografie-Verfahren mit rekordverdächtiger 3D-Druckrate von 7,6 × 107 Voxel s-1 ist kürzlich Forschern aus Wuhan gelungen. Diese ist fast eine Größenordnung höher als bei der früheren scannenden Multiphotonenlithografie (MPL). Das Team um Wei Xiong und Binzhang Jiao vom Wuhan National Laboratory for Optoelectronics an der Huazhong University of Science and Technology haben die Ergebnisse im "International Journal of Extreme Manufacturing" publiziert.
AOSS rasend schnell und genau
Die neue Technologie basiert die auf akusto-optischem Scannen mit räumlicher Schaltung (AOSS). Sie druckt nicht nur komplexe 3D-Mikro-Nanostrukturen mit einer Genauigkeit von 212 Nanometern (nm) aus, sondern erreicht auch eine nie dagewesene 3D-Druckrate von 7,6 × 107 Voxel/s. So, als würde ein Künstler in fünf Minuten ein Selbstporträt malen, bei dem jedes kleinste Detail, bis zur letzten Haarsträhne, zum Leben erweckt wird.
"Verarbeitungsgeschwindigkeit und -genauigkeit sind wichtige Leistungsparameter für die Bewertung der mikro-nano-dreidimensionalen Drucktechnologie, und diese Technologie weist in beiden Aspekten eine hervorragende Leistung auf. Diese Forschung bietet einen gangbaren technischen Weg, um den Nano-3D-Druck künftig in großem Maßstab zu realisieren", so Wei Xiong.
Status quo lange unbefriedigend
Die Präzisionsfertigung komplizierter und komplexer dreidimensionaler Mikro-Nanostrukturen ist ein Eckpfeiler für zahlreiche Spitzendisziplinen. Angesichts ihrer Fähigkeit zur echten dreidimensionalen digitalen Herstellung und der nanoskaligen Verarbeitungsauflösung jenseits der Beugungsgrenze, ist die Zwei-Photonen-Lithographie (TPL) ein ständiger Forschungsschwerpunkt. Sie wird in hochmodernen Bereichen angewandt, darunter 3D-Metamaterialien, mikrooptische und mikroelektronische Komponenten sowie biomedizinische Technik. Trotz hoher Auflösung im Nanobereich hat die begrenzte Verarbeitungsgeschwindigkeit der TPL ihr Potenzial jedoch immer wieder eingeschränkt. Der Druck einer Münze etwa kann sich über Dutzende von Stunden erstrecken, ein Zeitrahmen, der für industrielle Produktionsanwendungen viel zu lang ist.
Jiao fand nach einer Reihe von Experimenten den akusto-optischen Deflektor (AOD) als Kernstück des Verfahrens, um die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen. Er entwickelte eine nichtlineare Signalmodulationstechnik für den AOD, die sicherstellt, dass sich die Spotgröße beim akusto-optischen Hochgeschwindigkeits-Scannen der Beugungsgrenze annähert. Gleichzeitig wurde durch die Integration diffraktiver optischer Elemente (DOE) ein multifokales paralleles akusto-optisches Scannen ermöglicht, wodurch der Verarbeitungsdurchsatz weiter erhöht wurde. Die räumlichen Bereiche der multifokalen Punkte werden unabhängig voneinander durch den räumlichen optischen Schalter gesteuert, was die Herstellung nicht-periodischer Strukturen ermöglicht. Sie demonstrierten ein MPL-System mit acht Brennpunkten, das eine Voxelgröße von 212 nm und eine Voxel-Druckrate von 7,6 × 107 Voxel/s erreichte.
Wie eine Person mit acht Händen
"Mehrere Brennpunkte können separat gedruckt werden, als ob eine Person acht Hände hätte", so Jiao. Diese Voxel-Druckrate ist 8,4 Mal schneller als die schnellste mechanisch abgetastete MPL-Methode und 38 Mal schneller als die schnellste diffraktiv abgetastete MPL-Methode. Im Vergleich zu kommerziellen MPL-Verfahren kann die Druckgeschwindigkeit dieser Technik um das bis zu 490-fache gesteigert werden.
Obwohl es vom Labor bis zur Fabrik noch ein weiter Weg ist, blickt das Team optimistisch in die Zukunft von AOSS. "Um die Reichweite der akusto-optischen Abtastung zu erhöhen, kann der Abtastwinkel der akusto-optischen Abtastung in Zukunft vergrößert werden. Dementsprechend können eine höhere akusto-optische Scangeschwindigkeit und eine größere Anzahl von Foki den Durchsatz von AOSS weiter erhöhen", so Prof. Wei Xiong abschließend.
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